大萬山特長深埋隧道地應(yīng)力研究與巖爆分析

師永翔

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

巖爆是高地應(yīng)力條件下，隧道掌子面或洞壁出現(xiàn)爆裂聲響、剝落、彈射、震動(dòng)的地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象[1]。發(fā)生巖爆的主要原因?yàn)樗淼绹鷰r三向應(yīng)力狀態(tài)所蓄積的應(yīng)變能，在開挖暴露形成臨空面后瞬間轉(zhuǎn)換為了沖擊動(dòng)能。國內(nèi)外很多地下工程均發(fā)生過巖爆，其直接威脅人員和設(shè)備安全，影響工程進(jìn)度。由于巖爆預(yù)測的復(fù)雜性，巖爆已成為地下工程世界性難題之一[2]。自1738年世界上最早記錄并報(bào)道發(fā)生在英國南史塔福煤田的萊比錫煤礦巖爆起，國內(nèi)外學(xué)者在現(xiàn)場實(shí)測、理論分析基礎(chǔ)上，對隧道高地應(yīng)力與巖爆做了大量的研究工作，提出了一系列的理論和方法，如失穩(wěn)理論、強(qiáng)度理論、能量理論、斷裂損傷理論和突變理論等。目前較為認(rèn)同、應(yīng)用較多的是強(qiáng)度應(yīng)力比法[3]。

大萬山隧道為山西靜興高速公路橫穿呂梁山支脈的越嶺型特長深埋隧道，設(shè)計(jì)為分離式，左洞長10 373 m，右洞長10 490 m，隧道最大埋深695 m。圍巖以硬質(zhì)變質(zhì)巖為主，具備可能產(chǎn)生高地應(yīng)力與巖爆的條件。本文針對靜興高速公路大萬山特長深埋隧道進(jìn)行了地應(yīng)力研究，并對隧道巖爆可能發(fā)生的部位與等級進(jìn)行了綜合分析。

1 隧道地應(yīng)力研究

1.1 隧道地質(zhì)條件

隧道所處大萬山屬呂梁山中北段的西部支脈，山體主脊主要走向?yàn)楸北睎|南南西向（NE33°—SW213°），山脊南北走向長約30 km，總體屬基巖高中山地貌。隧址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造屬呂梁—太行斷塊呂梁山塊狀隆起北西端，赤堅(jiān)嶺梭形掀斜褶帶中段，靠近該褶帶的中間寬厚部位，即構(gòu)造應(yīng)力相對較為集中的部位。在隧址區(qū)內(nèi)構(gòu)造形態(tài)表現(xiàn)為白龍山倒轉(zhuǎn)向斜構(gòu)造，并伴生部分?jǐn)嗔褬?gòu)造。地層巖性主要為太古界與元古界硬質(zhì)變質(zhì)巖組成，根據(jù)鉆孔取樣與室內(nèi)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度平均值約80.2 MPa。隧道圍巖主要為Ⅲ級、Ⅳ級。

1.2 隧址區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力分析

根據(jù)隧道周邊區(qū)域構(gòu)造線的走向、構(gòu)造形態(tài)組合及特征，對該區(qū)構(gòu)造應(yīng)力的來源與應(yīng)力、構(gòu)造之間的關(guān)系按應(yīng)力橢球體理論進(jìn)行簡要分析，如圖1，隧址區(qū)域構(gòu)造主應(yīng)力為壓扭應(yīng)力，時(shí)期為呂梁期，壓扭主應(yīng)力方向?yàn)楸北蔽鳌夏蠔|向，拉張應(yīng)力方向?yàn)楸睎|東—南西西向。壓扭應(yīng)力造就了區(qū)內(nèi)白龍山倒轉(zhuǎn)向斜、斷裂、韌性剪切帶構(gòu)造的形成。拉張應(yīng)力形成了區(qū)域范圍北北西—南南東向深大斷裂構(gòu)造，為輝長輝綠巖沿深大斷裂的貫入充填提供了空間條件，對于把控隧址區(qū)整體構(gòu)造應(yīng)力與構(gòu)造活動(dòng)的關(guān)系明確了方向。

圖1 大萬山隧道構(gòu)造應(yīng)力分析示意圖

1.3 鉆孔水壓致裂法地應(yīng)力測試

國際巖石力學(xué)學(xué)會測試方法委員會頒布的“測定巖石應(yīng)力的建議方法”，包括USBM鉆孔孔徑變形測量法、CSIR鉆孔三軸應(yīng)變計(jì)鉆孔孔壁應(yīng)變測量法、巖體表面應(yīng)力恢復(fù)測量法和水壓致裂法等方法。與其他測量方法相比，水壓致裂法具有操作簡單、測試周期短、測量深度大、測值可靠誤差較小、可連續(xù)重復(fù)測試等優(yōu)點(diǎn)[3]。該次勘察研究在大萬山隧道向斜軸部埋深較大、成孔質(zhì)量較高的SZK11鉆孔里，選取完整巖體部位進(jìn)行水壓致裂地應(yīng)力試驗(yàn)?，F(xiàn)場測試共取得了10個(gè)測試段的地應(yīng)力結(jié)果，試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)如表1所示：在SZK11鉆孔測試深度范圍內(nèi)，實(shí)測最大水平主應(yīng)力值為17.25 MPa，最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹W58°左右。

表1 大萬山隧道SZK11鉆孔地應(yīng)力測試成果表

地應(yīng)力量值隨深度變化曲線如圖2所示，各測試段側(cè)壓系數(shù)λ（實(shí)測最大水平主應(yīng)力與鉛垂向應(yīng)力比值 λ=σH/σv）隨深度的關(guān)系曲線如圖3所示。

圖2 大萬山隧道應(yīng)力量值隨深度變化曲線

圖3 大萬山隧道側(cè)壓系數(shù)隨深度變化曲線

測試結(jié)果表明：

a）側(cè)壓系數(shù)在淺部較大，隨著深度增加、側(cè)壓力系數(shù)λ逐漸減小。各測試段的側(cè)壓系數(shù)λ均大于1，表明工程場區(qū)存在一定程度的水平構(gòu)造應(yīng)力。

b）450 m深度以下側(cè)壓系數(shù)均值λ=σH/σv=1.25，表明深部巖體初始地應(yīng)力的水平大主應(yīng)力值略大于巖層的自重應(yīng)力。

國內(nèi)的實(shí)測和統(tǒng)計(jì)資料表明：工程巖體的初始地應(yīng)力側(cè)壓力系數(shù)在0.8～3.0之間，絕大多數(shù)在0.8～1.5之間。該次大萬山隧道SZK11鉆孔的實(shí)測側(cè)壓力系數(shù)由淺至深部逐漸減小，深部（大于450 m）側(cè)壓力系數(shù)均值僅為1.25，水平大主應(yīng)力值略大于巖層的自重應(yīng)力。測試表明大萬山隧道所處的巖體應(yīng)力場屬于正常的應(yīng)力場區(qū)，不存在明顯偏高的構(gòu)造應(yīng)力場。

1.4 隧道地應(yīng)力分析計(jì)算

大萬山隧道最大埋深695 m，該次地應(yīng)力測試孔最大測試深度534 m。為推測隧道實(shí)際最大埋深的地應(yīng)力，根據(jù)水壓致裂法實(shí)測地應(yīng)力數(shù)值，采用回歸分析與隧洞截面應(yīng)力計(jì)算公式[4]：

軸向應(yīng)力：σL=σhsin2α+σHcos2α，

橫截面最大初始應(yīng)力：σmax=σHsin2α+σhcos2α，

橫截面最大切向應(yīng)力：σθ=3max(σmax/σv)-min(σmax/σv)，

式中：σH為最大水平主應(yīng)力；σh為最小水平主應(yīng)力；α為最大水平主應(yīng)力與隧洞的走向的夾角；σv為自重應(yīng)力。

計(jì)算得：

隧道深部最大、小水平主應(yīng)力為：

σH=1.254σv、σh=0.929σv，

沿?cái)M開挖隧道軸向應(yīng)力：σL=1.24σv，

橫截面最大初始應(yīng)力：σmax=1.00σv，

橫截面最大切向應(yīng)力：σθ=2.06σv.

1.5 隧道地應(yīng)力分級

根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范 第一冊 土建工程》（JTG 3370.1—2018）地應(yīng)力分級表，見表2，計(jì)算大萬山隧道地應(yīng)力分級見表3。

表2 地應(yīng)力分級表

表3 大萬山隧道地應(yīng)力分級表

2 隧道巖爆分析

巖爆是非常復(fù)雜的動(dòng)力地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象，影響巖爆的因素較多，歸納起來主要為內(nèi)部因素和外部因素。內(nèi)部因素主要是堅(jiān)硬完整的高儲能巖體；外部因素主要受隧道開挖卸荷、應(yīng)力釋放與地下水、地溫條件等影響。地下水豐富、地溫高的地段，隧道發(fā)生巖爆的可能性和危害性會降低[5]。

本文根據(jù)強(qiáng)度應(yīng)力比法中代表性的E.Hoek法、鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范與公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的3種方法計(jì)算，并結(jié)合地下水與地溫進(jìn)行巖爆分析[4-6]。

2.1 E.Hoek法計(jì)算分析巖爆

E.Hoek總結(jié)采礦圍巖破壞觀測結(jié)果，判據(jù)與計(jì)算分析見表4。

表4 E.Hoek法巖爆判據(jù)與計(jì)算分析表

2.2 鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算分析巖爆

根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10003—2016）巖爆分級表，計(jì)算分析見表5。

表5 鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范巖爆分級與計(jì)算表

2.3 公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算分析巖爆

根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范 第一冊 土建工程》（JTG 3370.1—2018）巖爆分級表，計(jì)算分析見表6。

表6 公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范巖爆分級與計(jì)算表

2.4 地溫對巖爆的影響分析

大萬山隧道SZK11鉆孔內(nèi)進(jìn)行了3組地溫測試，如圖4所示：孔深100～250 m溫度隨深度增加而降低，平均地溫梯度為-1.4℃；210～300 m為恒溫帶，平均溫度約10.8℃；300 m以下為增溫帶，平均地溫梯度為1.9℃；計(jì)算隧道最大埋深695 m處地溫為18.5℃左右。隧道地溫整體溫度較低，變化較小，地溫對隧道巖爆基本無影響。

圖4 大萬山隧道地溫測試圖

2.5 地下水對巖爆的影響分析

由于地下水對軟化圍巖、降低圍巖彈性應(yīng)變能的儲存能力有很大作用，所以巖爆發(fā)生段巖體一般干燥無水，潮濕或滴水現(xiàn)象較少[5]。

根據(jù)大萬山隧道水文地質(zhì)勘察成果：隧道地下水類型為變質(zhì)巖類裂隙水與構(gòu)造裂隙水，預(yù)測隧道正常涌水量2 537.5～2 834.9 m3/d，最大涌水量7 360.9～8 244.9 m3/d，隧道埋深較大段主要為中等富水，出水狀態(tài)為淋雨?duì)罨蛴苛鳡?。綜合分析地下水對大萬山隧道巖爆有弱化的作用。

2.6 隧道巖爆綜合分析預(yù)測

根據(jù)以上3種方法的計(jì)算與判據(jù)結(jié)果，并結(jié)合地溫與地下水條件對巖爆的影響作用，綜合分析預(yù)測：大萬山隧道埋深小于450 m無巖爆；埋深450～600 m發(fā)生巖爆可能性較小，巖爆等級為Ⅰ級輕微；埋深600～695 m有發(fā)生巖爆的可能，巖爆等級為Ⅱ級中等。

3 結(jié)語

a）現(xiàn)場水壓致裂法測試結(jié)果表明，大萬山隧道所處的地應(yīng)力場屬于正常的應(yīng)力場區(qū)，不存在明顯偏高的構(gòu)造應(yīng)力場。

b）大萬山隧道地應(yīng)力分級 埋深小于340 m為一般應(yīng)力；埋深340～600 m為高應(yīng)力；埋深600～695 m為極高應(yīng)力。

c）地溫對大萬山隧道巖爆基本無影響，地下水對大萬山隧道巖爆有弱化的作用。

d）在已有的研究水平和研究成果的基礎(chǔ)上，綜合分析判斷大萬山隧道埋深小于450 m無巖爆；埋深450～600 m發(fā)生巖爆可能性較小，巖爆等級為Ⅰ級輕微；埋深600～695 m（隧道 K40+200—K41+100段）發(fā)生巖爆的可能性較大，巖爆等級為Ⅱ級中等，以上里程段落在開挖過程中可能會出現(xiàn)洞壁巖體剝離、掉塊、新生裂縫等情況，建議加強(qiáng)對圍巖的監(jiān)測，采取針對性的設(shè)計(jì)與施工方案。

e）巖爆預(yù)測極為復(fù)雜，影響因素很多。應(yīng)該指出，巖爆預(yù)測研究仍具有一定的不確定性[6]。為隧道順利建設(shè)，在隧道施工過程中需加強(qiáng)地質(zhì)超前預(yù)報(bào)與監(jiān)控量測工作，并結(jié)合隧道工程建設(shè)進(jìn)一步開展巖爆研究工作。